一种柔性铜锑硒薄膜太阳能电池的制备方法

本发明涉及一种薄膜太阳能电池的制备方法，具体涉及一种柔性铜锑硒薄膜太阳能电池的制备方法。

背景技术：

1、铜锑硒(cusbse2)太阳能电池是近几年来出现地一种新型的化合物薄膜太阳能电池，其具有光吸收系数高、带隙与太阳光谱匹配的优点。铜锑硒光吸收层类似于传统的高效薄膜太阳能电池吸收层铜铟镓硒(cigs)，但与铜铟镓硒相比存在以下不同：一、其组分元素锑比铟和镓的价格低，可节约原料成本；二、其结晶温度远低于铜铟镓硒，可以大大降低衬底温度。

2、铜锑硒光吸收层是电池最核心的一层，目前对于该材料的文献报道较少。cusbse2与cusbs2的三元体系类似，同样有着非常复杂的相组成，除了cu:sb:se为1:1:2的cusbse2外，还存在多种其他原子比的化合物，例如cu3sbse4、cu3sbse3，这严重增加了制备cusbse2过程中的技术难度。铜锑硒吸收层目前主流的制备方法为真空法与化学溶液法。真空法充分利用了在真空环境下膜结晶性好、纯度高的特点，但是容易生成二元或三元杂相，同时铜锑的比例无法精确控制，导致真空法重复性不高。溶液法相比真空法具有更加稳定的实验条件，该方法可以精确的控制前驱体溶液中铜与锑的比例，有效的减少杂相的生成，但是由于传统的光吸收层(例如铜锌锡硫)旋涂法多采用剧毒物质肼作为溶剂，对人体和环境具有潜在危害，并且对设备和操作要求极高，不适合量产。

3、为了降低铜锑硒光吸收层制备的成本，提高镀膜过程的安全性和重复性，要求溶液低毒或无毒。本发明采用安全性和环境友好性远高于肼的乙二醇甲醚-巯基乙酸溶液体系，后经过温度、时间可调的硒化过程，是铜锑硒太阳能电池光吸收层的一种安全、稳定、低成本制备方法。在采用溶液法制备光吸收层的同时，本发明采用柔性玻璃作为电池衬底，实现了铜锑硒电池可弯曲、高柔韧性的特点。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种柔性铜锑硒薄膜太阳能电池的制备方法。本发明采用对环境较为友好的乙二醇甲醚-巯基乙酸溶液体系制备，将柔性衬底与溶液法结合，不仅有效地实现了铜锑硒薄膜太阳能电池的柔性发展，同时通过铜源与锑源的含量精确调控吸收层中铜锑的比例，有效提升了电池的器件性能。

2、本发明通过磁控溅射法，在柔性玻璃上溅射1000nm厚度mo层，作为背电极。按预制铜锑硒薄膜的铜锑的化合物摩尔组成，称取含有铜源和锑源的化合物原料加入到巯基乙酸溶液体系中，其中包括巯基乙酸、乙醇胺以及乙二醇甲醚。巯基乙酸起到与金属配位以及硫源的作用，乙醇胺则提供一种碱性环境，乙二醇甲醚为溶剂。将溶解完成的溶液进行过滤，在一定氮气氛围下旋涂在柔性mo衬底上，再置于加热台上在进行退火，多次重复以上操作，即可得到铜锑的前驱体膜。最后，将前驱体膜放入双温区的管式炉中的一侧，另一侧加入硒粉，在氩气氛围中进行高温硒化，即得铜锑硒吸收层。通过水浴法在吸收层上制备50nm厚度cds层，通过磁控溅射法继续制备1000nm厚度azo层作为窗口层，在azo上采用蒸镀法制备银电极。

3、本发明柔性铜锑硒薄膜太阳能电池的制备方法，以柔性玻璃作为衬底，采用溶液法制备光吸收层，包括如下步骤：

4、步骤1：将柔性玻璃(willow glass)贴于玻璃基板上，通过磁控溅射法制备1000nm厚度mo层。

5、步骤2：按预制铜锑硒薄膜中铜锑的化合物摩尔组成，称取含有铜源和锑源的化合物原料加入巯基乙酸溶液体系中；

6、步骤3：将溶解完成的溶液过滤，在氮气氛围下，旋涂在镀mo的柔性玻璃上，再置于加热台退火1-3min；重复以上操作3-6次，即可得到前驱体薄膜。

7、步骤4：将前驱体薄膜置于双温区管式炉中，在氩气氛围中进行高温硒化处理，硒源温度为300-400℃，衬底温度为300-450℃，硒化时间为5-60min。

8、步骤5：基于制备的铜锑硒吸收层薄膜，采用水浴法制备50nm厚度cds层，采用磁控溅射法制备1000nm厚azo窗口层，通过蒸镀法制备电池的ag电极。

9、步骤2中，所述巯基乙酸溶液体系是由巯基乙酸、乙醇胺和乙二醇甲醚复配构成，其中巯基乙酸、乙醇胺和乙二醇甲醚的体积比为0.6ml:1ml:2ml。

10、步骤2中，铜源与锑源的摩尔比为1:1。在巯基乙酸溶液体系中，铜源或锑源的添加量为0.5-1mmol:3.6ml。溶解的条件为在溶液中加入搅拌磁子，60℃下磁力搅拌溶解3小时，得透明黄色溶液。

11、步骤2中，所述铜源为氧化铜、氧化亚铜中的至少一种，所述锑源为三氧化二锑。

12、步骤3中，旋涂转速设置为50r/min下10s，然后1000-3000r/min下45s。

13、步骤3中，退火温度为300-400℃。

14、步骤4中，所述硒源为99.99％纯的硒粉、硒颗粒中的任意一种。

15、步骤4中，双温区管式炉衬底一侧的升温曲线为从0℃用时20min升至300-450℃，保温5-60min，最后自然降温；硒源一侧的升温曲线为0℃用时20min升至200-400℃，保温5-60min，最后自然降温。

16、衬底一侧保温温度优选为400-450℃，保温时间为10min；硒源一侧保温温度优选为250-300℃，保温时间为10min。

17、本发明制备的铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜，结晶性好，重复性高，无杂相。

18、本发明提供的方法中电池的面积为0.14cm2。

19、本发明基于目前的研究现状，采用了溶液法制备柔性铜锑硒电池的光吸收层，将难以溶解的铜源、锑源直接溶解在巯基乙酸体系的溶液中，我们可以通过精确的控制铜锑的摩尔比，排除了在真空法下铜锑比例难以控制而大大增加制备难度的问题。巯基乙酸溶液体系也不同于肼溶液，对于实验者以及周围的环境的危害较小。而且本方法采用的衬底为柔性玻璃(willow glass)，制备的电池可弯曲，更加具有前景。

技术特征：

1.一种柔性铜锑硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求3、4或5所述的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种柔性铜锑硒薄膜太阳能电池的制备方法，采用柔性玻璃衬底，电池光吸收层采用对环境较为友好的乙二醇甲醚‑巯基乙酸溶液体系制备，其他层均采用传统的制备方法制备。该方法将柔性衬底与溶液法结合，不仅有效地实现了铜锑硒薄膜太阳能电池的柔性发展，同时通过铜源与锑源的含量精确调控吸收层中铜锑的比例，有效提升了电池的器件性能。

技术研发人员：万磊,许光磊,焦宇飞,张子硕,周儒,毛小丽,牛海红,王欢,徐进章
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4